Birkeland a organisé plusieurs expéditions dans les régions des hautes latitudes de Norvège où il a établi un réseau d’observatoires sous les régions aurorales pour collecter des données sur le champ magnétique. Les résultats de l’expédition polaire norvégienne menée de 1899 à 1900 contenaient la première détermination du schéma global des courants électriques dans la région polaire à partir de mesures du champ magnétique terrestre. La découverte des rayons X a inspiré Birkeland à développer des chambres à vide pour étudier l’influence des aimants sur les rayons cathodiques. Birkeland a remarqué qu’un faisceau d’électrons dirigé vers une terrella magnétisée était guidé vers les pôles magnétiques et produisait des anneaux de lumière autour des pôles et a conclu que l’aurore pouvait être produite de la même manière. Il a développé une théorie selon laquelle les électrons énergétiques étaient éjectés des taches solaires à la surface solaire, dirigés vers la Terre et guidés vers les régions polaires de la Terre par le champ géomagnétique où ils produisaient les aurores visibles. C’est essentiellement la théorie de l’aurore aujourd’hui.
Birkeland a proposé en 1908 dans son livre The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 que les courants électriques polaires, aujourd’hui appelés électrojets auroraux, étaient connectés à un système de courants qui circulaient le long de lignes de champ géomagnétique à l’intérieur et à l’extérieur de la région polaire. Ces courants alignés sur le champ sont connus aujourd’hui sous le nom de courants de Birkeland en son honneur. Il a fourni un diagramme des courants alignés sur le champ dans le livre, et ce diagramme a été reproduit au dos du billet norvégien de 200 couronnes de la 7e série dans le coin inférieur droit, et son expérience terrella est montrée au recto à gauche avec un portrait de Birkeland à droite. Le livre sur l’expédition de 1902-1903 contient des chapitres sur les tempêtes magnétiques sur la Terre et leur relation avec le Soleil, l’origine du Soleil lui-même, la comète de Halley et les anneaux de Saturne.
La vision de Birkeland de ce que l’on appelle maintenant les courants de Birkeland est devenue la source d’une controverse qui s’est poursuivie pendant plus d’un demi-siècle, car leur existence n’a pas pu être confirmée par les seules mesures au sol. Sa théorie a été contestée et ridiculisée à l’époque comme une théorie marginale par les scientifiques traditionnels, notamment par l’éminent géophysicien et mathématicien britannique Sydney Chapman qui a soutenu l’opinion dominante selon laquelle les courants ne pouvaient pas traverser le vide de l’espace et devaient donc être générés par la Terre. La théorie des aurores boréales de Birkeland a continué à être rejetée par les astrophysiciens traditionnels après sa mort en 1917. Il a notamment été défendu par le scientifique suédois du plasma Hannes Alfvén, mais les travaux d’Alfvén ont également été contestés par Chapman.
La preuve de la théorie de l’aurore de Birkeland n’est venue qu’en 1967 après l’envoi d’une sonde dans l’espace. Les résultats cruciaux ont été obtenus à partir du satellite 1963-38C de la Marine américaine, lancé en 1963 et transportant un magnétomètre au-dessus de l’ionosphère. Des perturbations magnétiques ont été observées sur presque tous les passages au-dessus des régions de haute latitude de la Terre. Celles-ci ont été interprétées à l’origine comme des ondes hydromagnétiques, mais lors d’une analyse ultérieure, il a été réalisé qu’elles étaient dues à des courants alignés sur le champ ou de Birkeland.
L’ampleur des entreprises de recherche de Birkeland était telle que le financement devenait un obstacle écrasant. Reconnaissant que l’invention technologique pouvait apporter de la richesse, il a développé un canon électromagnétique et, avec quelques investisseurs, a formé une société d’armes à feu. Le canon à bobine a fonctionné, sauf que les vitesses de bouche élevées qu’il avait prédites (600 m / s) n’ont pas été produites. Le maximum qu’il pouvait obtenir de sa plus grosse machine était de 100 m / s, ce qui correspond à une portée de projectile décevante de seulement 1 km. Il a donc rebaptisé l’appareil torpille aérienne et organisé une démonstration dans le but exprès de vendre l’entreprise. Lors de la démonstration, l’une des bobines s’est court-circuitée et a produit un arc inductif sensationnel avec du bruit, de la flamme et de la fumée. Ce fut le premier échec de l’un des lanceurs construits par Birkeland. Il aurait facilement pu être réparé et une autre démonstration organisée.
Cependant, le destin est intervenu sous la forme d’un ingénieur nommé Sam Eyde. Lors d’un dîner seulement une semaine plus tard, Eyde a déclaré à Birkeland qu’il y avait un besoin industriel pour le plus grand éclair pouvant être ramené sur Terre afin de fabriquer des engrais artificiels. La réponse de Birkeland était: « Je l’ai! »Il n’y a plus eu de tentatives de vente de la société d’armes à feu, et il a travaillé avec Eyde assez longtemps pour construire un dispositif à arc plasma pour le processus de fixation de l’azote. Le couple a travaillé pour développer le prototype de four dans une conception économiquement viable pour une fabrication à grande échelle. La société qui en résulta, Norsk Hydro, enrichit énormément la Norvège et Birkeland bénéficia alors d’un financement suffisant pour la recherche, son seul véritable intérêt.
Le procédé Birkeland–Eyde est relativement inefficace en termes de consommation d’énergie. Par conséquent, dans les années 1910 et 1920, il a été progressivement remplacé en Norvège par une combinaison du procédé Haber et du procédé Ostwald.
En 1913, Birkeland a peut-être été le premier à prédire que le plasma était omniprésent dans l’espace. Il a écrit: « Il semble être une conséquence naturelle de nos points de vue de supposer que tout l’espace est rempli d’électrons et d’ions électriques volants de toutes sortes. Nous avons supposé que chaque système stellaire en évolution jette des corpuscules électriques dans l’espace. Il ne semble donc pas déraisonnable de penser que la plus grande partie des masses matérielles de l’univers se trouve, non pas dans les systèmes solaires ou les nébuleuses, mais dans l’espace « vide ». »
En 1916, Birkeland fut probablement la première personne à prédire avec succès que le vent solaire se comporte comme toutes les particules chargées dans un champ électrique: « D’un point de vue physique, il est fort probable que les rayons solaires ne soient ni exclusivement des rayons négatifs ni positifs, mais des deux types ». En d’autres termes, le vent solaire est composé à la fois d’électrons négatifs et d’ions positifs.
La première carte complète de la localisation statistique des courants de Birkeland dans la région polaire terrestre a été développée en 1974 par A.J. Zmuda et J.C. Armstrong et affinée en 1976 par T. Iijima et T.A. Potemra
En tant que chercheur ayant de larges intérêts, Birkeland a rejoint la commission de contrôle de la NSFPS (= Société Norvégienne de Recherche Psychique). Les 299 membres de la société comprenaient, en 1922, des personnes comme le premier ministre Gunnar Knudsen, ainsi qu’un large éventail de médecins, de professeurs et d’armateurs. La société a organisé des cercles expérimentant avec des tables de danse et une écriture automatique, mais a attiré plus d’attention en organisant des expériences contrôlées avec des médiums étrangers invités. En 1912, c’est la médium présumée Etta Wriedt de Detroit, célèbre pour sa « trompette spirituelle », qui a été exposée comme une fraude. La « trompette » de Mme Wriedt aurait dû parler avec la « voix spirituelle », entre autres, d’Hypatie, mais en Norvège, les « coups de trompette » ont été exposés comme des explosions produites par le potassium et l’eau. Le professeur Birkeland s’écria à cette occasion: « Je suis soi-disant contre tous les incendies de sorcières, mais un petit feu en l’honneur de Mme Wriedt n’aurait pas gêné. »
